Advanced Materials:水凝胶与金属材料之间的高强度粘合、应需解离与灵活复粘

自然界中的生物种类复杂多样,从原生动物到脊椎动物的演变逐渐形成了多样化的组织器官结构。而生命功能的实现,依赖于多种不同的组织和器官,如软组织、纤维、肌肉、肌腱和骨骼等形成的多级有序结构。不同组织之间的界面粘合保证了其各种功能的实现。因此,从仿生的角度出发,如何在具有不同化学组分和物理性质的材料界面之间实现必要的粘合作用,仍是该领域一大挑战,同时也是当前研究的热点科学问题。

研究者们以水凝胶为原型柔性材料探究了与其他不同种类固体材料之间的界面粘合作用。然而,早期的各种方法均无法达到较高的界面强度。直到2016年,麻省理工学院的Xuanhe Zhao课题组利用硅烷偶联剂以共价交联的方式成功把一种高韧水凝胶粘附于各类固体表面,其界面粘合强度最高可达1000 Jm-2,可与人体骨/韧带界面强度相媲美;随后,哈佛大学Zhigang Suo团队又提出了一种“拓扑粘合(topological adhesion)”的概念,将水凝胶通过聚合物链“缝合”于其他固体材料表面,也取得了较高的粘合强度。然而上述方法对界面处理条件要求较为苛刻且过程繁琐,耗时较长。

近期,华南理工大学岳衎教授团队与哈佛大学医学院Y. Shrike Zhang教授合作开发了一种便捷、高效、灵活的方法用于水凝胶与各类金属的界面粘合。该研究团队从一类功能型桥连分子的设计入手,在桥连分子的两端分别引入了可与高强度水凝胶网络形成共价交联的双键官能团以及可与金属表面形成配位作用的羧基官能团;以此桥连分子为“纽带”,可通过喷涂、浸润等简单方法对金属表面进行即时修饰并形成化学锚点,随后通过原位聚合反应与水凝胶网络之间形成共价键合,即可在二者界面产生高强度的粘合作用(>1000 Jm-2);并在长时间浸泡溶胀、弱酸、弱碱等条件下均可保持较高的粘合稳定性。更加有趣的是,该团队通过对桥连分子化学结构的进一步设计,在其中引入了一种具有刺激响应性的双硫键基团。当以此桥连分子作用于金属表面,在实现了与水凝胶的高强度粘合之后,可通过外界刺激(加入一种还原型谷胱甘三肽,响应性地断开界面处的双硫键,亦即破坏了水凝胶与金属界面之间的共价作用,达到了应需分离的效果。研究者发现,通过此方法实现分离后的金属基板表面仍存在巯基官能团,因此,在不经过任何其他修饰的情况下,巯基官能团可直接与水凝胶网络通过巯基与双键的加成反应实现共价键合,因而可以该金属基板与水凝胶材料之间的再次高强度粘合。此项研究有望为可适用于各类动态、复杂的应用环境的新型“智能”复合材料和器件的设计和开发提供一类新的途径,因而具有广阔的应用前景。该成果近日以“Tough Bonding, On‐Demand Debonding, and Facile Rebonding between Hydrogels and Diverse Metal Surfaces”为题,在线发表于Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201904732)上。